DE102010038295A1 - Method and device for sensorless position detection of an electronically commutated electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Läuferlage einer rotatorischen, mehrphasigen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (1), wobei die elektrische Maschine (1) mehrere Phasenwicklungen (4) aufweist, die über Phasenanschlüsse bestrombar sind, mit folgenden Schritten: – Bestimmen von Phasenspannungen und Phasenströmen an Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine (1); – Ermitteln der induzierten Spannungen an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine (1) aus den bestimmten Phasenspannungen und Phasenströmen; – Bereitstellen des durch die induzierten Spannungen bestimmten Spannungszeiger der induzierten Spannung bezüglich eines statorfesten kartesischen Koordinatensystems; – Bestimmen der Läuferlage als einen Raumzeigerwinkel des bezüglich des statorfesten kartesischen Koordinatensystem bereitgestellten Spannungszeigers der induzierten Spannung.The invention relates to a method for determining a rotor position of a rotary, multiphase, electronically commutated electrical machine (1), the electrical machine (1) having a plurality of phase windings (4) which can be energized via phase connections, with the following steps: - Determining phase voltages and phase currents at phase connections of the electrical machine (1); - Determining the induced voltages at the phase connections of the electrical machine (1) from the determined phase voltages and phase currents; - Providing the voltage pointer of the induced voltage determined by the induced voltages with respect to a stator-fixed Cartesian coordinate system; - Determining the rotor position as a space vector angle of the voltage pointer of the induced voltage provided with respect to the stator-fixed Cartesian coordinate system.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere Verfahren zur sensorlosen Lagedetektion eines Läufers einer elektrischen Maschine.The present invention relates to electronically commutated electrical machines, in particular to methods for sensorless position detection of a rotor of an electrical machine.
Stand der TechnikState of the art
Zur elektronischen Kommutierung von bürstenlosen elektrischen Maschinen ist eine Information über die momentane Läuferlage notwendig. Mithilfe der Läuferlage wird eine elektronische Kommutierung durchgeführt, indem abhängig von der Läuferlage Phasenspannungen an die elektrische Maschine angelegt bzw. im Falle eines Betriebs als Generator an dieser abgegriffen werden.For the electronic commutation of brushless electrical machines information about the current rotor position is necessary. Using the rotor position, an electronic commutation is carried out by depending on the rotor position phase voltages applied to the electric machine or tapped when operated as a generator at this.
Es sind verschiedene Verfahren zum Ermitteln der Läuferlage bekannt. Bei einer Gruppe von elektrischen Maschinen wird die Läuferlage durch einen integrierten oder separaten Lagesensor erfasst und der Steuereinheit, die die elektronische Kommutierung vornimmt, zur Verfügung gestellt. Bei einer anderen Gruppe von elektrischen Maschinen wird die Läuferlage sensorlos aus den Motorspannungen und/oder Motorströmen ermittelt.Various methods for determining the rotor position are known. In a group of electric machines, the rotor position is detected by an integrated or separate position sensor and provided to the control unit, which performs the electronic commutation. In another group of electrical machines, the rotor position is determined sensorless from the motor voltages and / or motor currents.
Ein bekanntes Verfahren zur sensorlosen Lageerfassung ist das so genannte Back-EMF-Verfahren, bei dem aus einem Verlauf der induzierten Spannung in einem Phasenstrang der elektrischen Maschine eine Läuferlage abgeleitet wird. Da es zur Messung der induzierten Spannung notwendig ist, die entsprechenden Phasenanschlüsse stromlos zu schalten, ist man für die Verwendung des Back-EMF-Verfahrens in der Wahl des geeigneten Bestromungsmusters für die elektronische Kommutierung eingeschränkt.A known method for sensorless position detection is the so-called back-EMF method, in which a rotor position is derived from a profile of the induced voltage in a phase strand of the electrical machine. Since it is necessary for the measurement of the induced voltage to turn off the corresponding phase terminals without current, one is limited to the use of the back-EMF method in the choice of the suitable Bestromungsmuster for the electronic commutation.
Weiterhin ist eine Läuferlagebestimmung mithilfe des Back-EMF-Verfahrens in der Regel bei solchen elektrischen Maschinen exakt möglich, bei denen die induzierte Spannung einen sinusförmigen Verlauf beschreibt und die Phasenspannungen nicht über einen Wechselrichter gestellt werden, da dort ein Phasenanschluss nicht stromlos geschaltet werden kann. Eine für zum Beispiel das Geräuschverhalten vorteilhafte dauerhafte Spannungsvorgabe (ohne Austastlücke) ist mit einem Back-EMF Verfahren nicht möglich. Die Güte von bekannten Verfahren zum sensorlosem Betrieb von sinusförmigen Maschinen wie zum Beispiel bei einer sensorlosen feidorientierten Regelung nimmt ab, je mehr der Verlauf der induzierten Spannung von einem sinusförmigen Verlauf abweicht.Furthermore, a rotor position determination by means of the back-EMF method is usually exactly possible in such electrical machines, in which the induced voltage describes a sinusoidal course and the phase voltages are not provided by an inverter, since there can not be de-energized a phase connection. An example for the noise behavior advantageous permanent voltage specification (without blanking interval) is not possible with a back-EMF method. The quality of known methods for the sensorless operation of sinusoidal machines, for example in the case of a sensorless, closed-loop control, decreases the more the course of the induced voltage deviates from a sinusoidal profile.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur sensorlosen Erfassung der Läuferlage zur Verfügung zu stellen, das auch eingesetzt werden kann, wenn die induzierten Spannungen nicht sinusförmig sind und das unabhängig von der Kommutierungsart verwendet werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for the sensorless detection of the rotor position available, which can also be used when the induced voltages are not sinusoidal and which can be used regardless of the Kommutierungsart.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Bestimmung einer Läuferlage einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is achieved by the method for determining a rotor position of an electric machine according to
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Läuferlage einer rotatorischen, mehrphasigen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine vorgesehen. Die elektrische Maschine weist mehrere Phasenwicklungen auf, die über Phasenanschlüsse bestrombar sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Bestimmen von Phasenspannungen und Phasenströmen an Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine;
- – Ermitteln der induzierten Spannungen an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine aus den bestimmten Phasenspannungen und Phasenströmen;
- – Bereitstellen des durch die induzierten Spannungen bestimmten Spannungszeiger der induzierten Spannung bezüglich eines statorfesten kartesischen Koordinatensystems; und
- – Bestimmen der Läuferlage als einen Raumzeigerwinkel des bezüglich des statorfesten kartesischen Koordinatensystem bereitgestellten Spannungszeigers der induzierten Spannung.
- Determining phase voltages and phase currents at phase terminals of the electrical machine;
- - detecting the induced voltages at the phase terminals of the electric machine from the determined phase voltages and phase currents;
- - Providing the determined by the induced voltages voltage vector of the induced voltage with respect to a stator-fixed Cartesian coordinate system; and
- Determining the rotor position as a space vector angle of the voltage vector provided with respect to the stator-fixed Cartesian coordinate system.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine die induzierte Spannung in den Phasenwicklungen zu ermitteln und als ein Spannungszeiger eines statorfesten Koordinatensystems bereitzustellen, so dass der Raumzeigerwinkel der induzierten Spannung eine Angabe über die Läuferlage darstellt oder dieser direkt zugeordnet werden kann. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ableitung der Läuferlage aus der induzierten Spannung.One idea of the above method is to determine the induced voltage in the phase windings in a multi-phase electric machine and to provide it as a voltage vector of a fixed-stator coordinate system, so that the space vector angle of the induced voltage is an indication of the rotor position or can be assigned directly. This allows a particularly simple derivation of the rotor position from the induced voltage.
Insbesondere kann das Bereitstellen des durch die induzierten Spannungen bestimmten Spannungszeigers der induzierten Spannung bezüglich des statorfesten kartesischen Koordinatensystems durchgeführt werden, indem die ermittelten induzierten Spannungen in das statorfeste kartesische Koordinatensystems umgewandelt werden, oder indem die bestimmten Phasenspannungen und Phasenströme an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine in das statorfeste kartesische Koordinatensystems umgewandelt werden, bevor aus diesen die induzierten Spannungen ermittelt werden.In particular, the provision of the voltage vector of the induced voltage determined by the induced voltages with respect to the stator-fixed Cartesian coordinate system can be carried out by converting the determined induced voltages into the stator-fixed Cartesian coordinate system, or by the determined phase voltages and phase currents at the phase terminals of the electrical machine are converted into the stator-fixed Cartesian coordinate system before the induced voltages are determined therefrom.
Weiterhin kann der umgewandelte Spannungszeiger der induzierten Spannung mit einem Korrekturwinkel beaufschlagt werden, wobei der Korrekturwinkel von dem Spannungszeigerwinkel abhängt. Um auch bei nicht sinusförmigen induzierten Spannungen die Läuferlage aus der induzierten Spannung zu ermitteln, wird mithilfe des Korrekturwinkels der Fehler einer nicht sinusförmigen induzierten Spannung bei der Läuferlageermittelung korrigiert.Furthermore, the converted voltage vector of the induced voltage can be subjected to a correction angle, the correction angle depending on the voltage vector angle. In order to determine the rotor position from the induced voltage even with non-sinusoidal induced voltages, the correction angle is used to correct the error of a non-sinusoidal induced voltage in the rotor position determination.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Korrekturwinkel mithilfe des Spannungszeigerwinkels und/oder mithilfe der Drehzahl des Läufers bestimmt werden.According to one embodiment, the correction angle may be determined using the voltage vector angle and / or the rotor speed.
Der Korrekturwinkel kann mithilfe einer Lookup-Tabelle durch Vorgabe des Spannungszeigerwinkels und/oder der Drehzahl bestimmt werden.The correction angle can be determined using a lookup table by specifying the voltage vector angle and / or the speed.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Bestimmen der Phasenspannungen und Phasenströme an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine durchgeführt werden, indem die Phasenspannungen und Phasenströme gemessen werden oder indem die Phasenspannungen aus einer bereitgestellten Zwischenkreisspannung und einem Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation, mit dem die Phasenanschlüsse angesteuert werden, ermittelt werden.According to a further embodiment, the determination of the phase voltages and phase currents at the phase terminals of the electric machine can be carried out by measuring the phase voltages and phase currents or by determining the phase voltages from a DC link voltage provided and a pulse width modulation duty cycle with which the phase connections are driven ,
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Läuferlage einer rotatorischen, mehrphasigen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine vorgesehen. Die elektrische Maschine weist mehrere Phasenwicklungen auf, die über Phasenanschlüsse bestrombar sind. Die Vorrichtung umfasst
- – eine Einrichtung zum Bestimmen von Phasenspannungen und Phasenströmen an Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine;
- – eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um • die induzierten Spannungen an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine zu ermitteln; • um den durch die induzierten Spannungen bestimmten Spannungszeiger der induzierten Spannung bezüglich eines statorfesten kartesischen Koordinatensystems bereitzustellen; und • um die Läuferlage als einen Spannungszeigerwinkel des bezüglich des statorfesten kartesischen Koordinatensystem bereitgestellten Spannungszeigers der induzierten Spannung zu bestimmen.
- A means for determining phase voltages and phase currents at phase terminals of the electric machine;
- A control unit configured to: detect the induced voltages at the phase terminals of the electric machine; • to provide the induced voltage voltage phasor of the induced voltage with respect to a stator-fixed Cartesian coordinate system; and • to determine the rotor position as a voltage phasor angle of the induced voltage voltage phasor provided with respect to the stator-fixed Cartesian coordinate system.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einer rotatorischen, mehrphasigen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine und mit der obigen Vorrichtung vorgesehen.In another aspect, an engine system is provided with a rotary multi-phase electronically commutated electric machine and the above apparatus.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die folgenden Schritte durchführt:
- – Empfangen von Angaben zu den Phasenspannungen und Phasenströmen an Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine;
- – Ermitteln der induzierten Spannungen an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine aus den empfangenen Phasenspannungen und Phasenströmen;
- – Bereitstellen der durch die induzierten Spannungen bestimmten Spannungszeiger der induzierten Spannung bezüglich eines statorfesten kartesischen Koordinatensystems; und
- – Bestimmen der Läuferlage als einen Spannungszeigerwinkel des bezüglich des statorfesten kartesischen Koordinatensystem bereitgestellten Spannungszeigers der induzierten Spannung.
- - Receiving information about the phase voltages and phase currents at phase terminals of the electric machine;
- - detecting the induced voltages at the phase terminals of the electric machine from the received phase voltages and phase currents;
- - Providing the determined by the induced voltages voltage vector of the induced voltage with respect to a stator-fixed Cartesian coordinate system; and
- Determining the rotor position as a voltage vector angle of the induced voltage voltage vector provided with respect to the stator-fixed Cartesian coordinate system.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
In
Die Statorzähne
Im Inneren des Stators
Es ist eine Steuereinheit
Zum Erfassen der induzierten Spannung ist es bislang notwendig, einen Phasenanschluss der elektrischen Maschine
Alternativ kann die induzierte Spannung auch bestimmt werden, indem an den Phasenanschlüssen die Phasenspannungen ŬS und die Phasenströme ĭS bestimmt werden. Die Phasenspannungen ŬS und die Phasenströme ĭS können beispielsweise durch Messung bestimmt werden. Die Messung der Phasenspannungen ŬS und der Phasenströme ĭS erfolgt durch geeignete Messvorrichtungen
Aus den Phasenspannungen ŬS und den Phasenströmen ĬS wird entsprechend die induzierte Spannung Ŭind ermittelt. In Vektorschreibweise gilt: From the phase voltages Ŭ S and the phase currents Ĭ S , the induced voltage Ŭ ind is determined accordingly. In vector notation:
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, die induzierte Spannung Ŭind als umlaufenden Spannungszeiger eines statorfesten Koordinatensystems, insbesondere eines kartesischen Koordinatensystems, darzustellen. Dies ist schematisch in
Der Raumzeigerwinkel φ der nach obiger Formel ermittelten induzierten Spannung stellt dann direkt die Rotorlage des Rotors
Voraussetzung hierfür ist, dass die induzierte Spannung Ŭind einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Die induzierte Spannung Ŭind ist in erheblichem Maße von der Konstruktion der elektrischen Maschine abhängig, insbesondere von der Formung des Luftspalts zwischen den Rotorpolen
Zusätzlich zu dem Raumzeigerwinkel φ kann die Drehzahl n der elektrischen Maschine berücksichtigt werden, da die induzierte Spannung Ŭind insbesondere deren Verlauf, ebenfalls von der Drehzahl n abhängig ist. Das Bereitstellen des Korrekturwinkels K(φ, n) erfolgt in der Regel durch eine Lookup-Tabelle, die entweder nach der Herstellung der elektrischen Maschine
Die Drehzahl n kann in verschiedenen Weise bestimmt werden. Gemäß einer ersten Möglichkeit kann die Drehzahl n als Ableitung der Läuferlage φ' bestimmt werden. Dabei besteht allerdings ein Nachteil darin, dass bei der Berechnung eine Rückkopplung besteht da φ' = φ + K(φ, n). Dies kann unter Umständen zu einem Schwingen der Angabe der Drehzahl n führen.The speed n can be determined in various ways. According to a first possibility, the rotational speed n can be determined as the derivative of the rotor position φ '. However, there is a disadvantage in that there is a feedback in the calculation because φ '= φ + K (φ, n). Under certain circumstances, this can lead to oscillation of the indication of the rotational speed n.
Alternativ kann die Drehzahl n als Quotient
Gemäß einer weiteren Verbesserung kann die Drehzahl n wie folgt ermittelt werden:
Das Einlernen kann beispielsweise erfolgen, indem für bestimmte Rotorlagen φ' und Drehzahlen n die Phasenpotentiale im stromlosen Fall, d. h. bei nicht angelegten Phasenspannungen, ermittelt werden und somit ein Verlauf der induzierten Spannung Ŭind abhängig von der Rotorlage φ' und der Drehzahl n erfasst werden kann. Der Korrekturwinkel K(φ, n) ergibt sich aus der Differenz zwischen der Rotorlage φ'mess und dem Raumzeigerwinkel der ermittelten induzierten Spannung Ŭind_mess bei einer bestimmten Rotorlage φ'mess und einer bestimmten Drehzahl nmess. The learning can be done, for example, by the phase potentials for certain rotor positions φ 'and speeds n in the currentless case, ie at non-applied phase voltages, and thus a course of the induced voltage Ŭ ind depending on the rotor position φ' and the rotational speed n are detected can. The correction angle K (φ, n) results from the difference between the rotor position φ ' mess and the space vector angle of the determined induced voltage Ŭ ind_mess at a certain rotor position φ' mess and a certain speed n mess .
In
In Schritt S2 werden die so ermittelten induzierten Spannungen für jede Phase in ein statorfestes kartesisches Koordinatensystem umgerechnet und man erhält einen Betrag der induzierten Spannung und einen Raumzeigerwinkel für die momentane Rotorlage.In step S2, the thus determined induced voltages for each phase are converted into a stator-fixed Cartesian coordinate system and one obtains an amount of the induced voltage and a space vector angle for the current rotor position.
In Schritt S3 wird der Raumzeigerwinkel φ der induzierte Spannung Uind·e–jωφ mit dem entsprechenden Korrekturwinkel K(φ, n) beaufschlagt (addiert), der aus einer Lookup-Tabelle oder entsprechend einer vorbestimmten Funktion ermittelt wird.In step S3, the space vector angle φ of the induced voltage U ind · e -jωφ is applied (added) to the corresponding correction angle K (φ, n), which is determined from a look-up table or according to a predetermined function.
Der korrigierte Raumzeigerwinkel φ'
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